在机器学习中,随机森林是一个包含多个决策树的分类器, 并且其输出的类别是由个别树输出的类别的众数而定。 Leo Breiman和Adele Cutler发展出推论出随机森林的算法。 而 "Random Forests" 是他们的商标。 这个术语是1995年由贝尔实验室的Tin Kam Ho所提出的随机决策森林(random decision forests)而来的。这个方法则是结合 Breimans 的 "Bootstrap aggregating" 想法和 Ho 的"random subspace method"以建造决策树的集合。
随机森林是一种包含很多决策树的分类器,既可以用于处理分类和回归问题,也适用于降维问题。其对异常值与噪音也有很好的容忍,相较于决策树有着更好的预测和分类性能。
根据下列算法而建造每棵树:
- 用N来表示训练用例(样本)的个数,M表示特征数目。
- 输入特征数目m,用于确定决策树上一个节点的决策结果;其中m应远小于M。
- 从N个训练用例(样本)中以有放回抽样的方式,取样N次,形成一个训练集(即bootstrap取样),并用未抽到的用例(样本)作预测,评估其误差。
- 对于每一个节点,随机选择m个特征,决策树上每个节点的决定都是基于这些特征确定的。根据这m个特征,计算其最佳的分裂方式。
- 每棵树都会完整成长而不会剪枝,这有可能在建完一棵正常树状分类器后会被采用)。
优点
- 对于很多种资料,它可以产生高准确度的分类器;
- 它可以处理大量的输入变数;
- 它可以在决定类别时,评估变数的重要性;
- 在建造森林时,它可以在内部对于一般化后的误差产生不偏差的估计;
- 它包含一个好方法可以估计遗失的资料,并且,如果有很大一部分的资料遗失,仍可以维持准确度;
- 它提供一个实验方法,可以去侦测variable interactions;
- 对于不平衡的分类资料集来说,它可以平衡误差;
- 它计算各例中的亲近度,对于数据挖掘、侦测离群点(outlier)和将资料视觉化非常有用;
- 使用上述。它可被延伸应用在未标记的资料上,这类资料通常是使用非监督式聚类。也可侦测偏离者和观看资料;
- 学习过程是很快速的。
缺点
由于随机森林自身的随机性,导致预测结果波动 ; 所使用的原始数据集样本基数大,增加随机森林组合分类器的训练时间。
相关概念
1.分裂:在决策树的训练过程中,需要一次次的将训练数据集分裂成两个子数据集,这个过程就叫做分裂。
2.特征:在分类问题中,输入到分类器中的数据叫做特征。以上面的股票涨跌预测问题为例,特征就是前一天的交易量和收盘价。
3.待选特征:在决策树的构建过程中,需要按照一定的次序从全部的特征中选取特征。待选特征就是在步骤之前还没有被选择的特征的集合。例如,全部的特征是 ABCDE,第一步的时候,待选特征就是ABCDE,第一步选择了C,那么第二步的时候,待选特征就是ABDE。
4.分裂特征:接待选特征的定义,每一次选取的特征就是分裂特征,例如,在上面的例子中,第一步的分裂特征就是C。因为选出的这些特征将数据集分成了一个个不相交的部分,所以叫它们分裂特征。
随机森林构建
1.数据的随机选取:
首先,从原始的数据集中采取有放回的抽样,构造子数据集,子数据集的数据量是和原始数据集相同的。不同子数据集的元素可以重复,同一个子数据集中的元素也可以重复。第二,利用子数据集来构建子决策树,将这个数据放到每个子决策树中,每个子决策树输出一个结果。最后,如果有了新的数据需要通过随机森林得到分类结果,就可以通过对子决策树的判断结果的投票,得到随机森林的输出结果了。如假设随机森林中有3棵子决策树,2棵子树的分类结果是A类,1棵子树的分类结果是B类,那么随机森林的分类结果就是A类。
2.待选特征的随机选取
与数据集的随机选取类似,随机森林中的子树的每一个分裂过程并未用到所有的待选特征,而是从所有的待选特征中随机选取一定的特征,之后再在随机选取的特征中选取最优的特征。这样能够使得随机森林中的决策树都能够彼此不同,提升系统的多样性,从而提升分类性能。
图中,蓝色的方块代表所有可以被选择的特征,也就是待选特征。黄色的方块是分裂特征。左边是一棵决策树的特征选取过程,通过在待选特征中选取最优的分裂特征(别忘了前文提到的ID3算法,C4.5算法,CART算法等等),完成分裂。右边是一个随机森林中的子树的特征选取过程。
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